煤礦開采對地下水環境破壞機理及其影響因素研究

李鵬強

（山西省煤炭地質資源環境調查院，山西 太原 030006）

1 煤礦開采對地下水環境破壞機理

煤礦開采區的地下水含水層經過采動破壞后呈現三種形式：礦井基礎建設和煤礦生產過程中開鑿井筒、開掘巷道等生產活動會影響破壞含水層,導致礦井涌水現象的發生；采空區覆巖導水裂縫帶，在受力后波及頂板含水層破壞,致使地下水向進下滲漏而破壞水環境；在煤礦開采裂隙誘導下,底板高壓水在受力后突破煤層的隔水底板進入采空區,引發煤層底板突水現象。

下面對后兩種含水層采動破壞機理進行研究。

1.1 煤炭開采對上覆含水層的破壞機理

煤層開采后,其上覆層必然會發生移動并遭受破壞。而覆巖開采時所產生的移動和受到破壞會呈現出突出的分帶性, 分帶性的特征與采礦條件以及地質環境等均有密切相關。當開采方法選擇走向長壁全部垮落法，對緩傾斜中的厚煤層進行開采時，當開采深度到達一定限度時,會出現覆巖移動并被破壞，同時還會呈現出三個不同的開采影響帶, 通常自下而上順序呈垮落帶、裂縫帶和彎曲帶,被簡稱為“三帶”,對覆巖含水層和隔水層的結構和滲透性產生不同程度的影響和破壞。

1.2 煤炭開采對下伏含水層的破壞機理研究

煤層采動后，頂板巖層會產生移動并遭到破壞,同時下伏巖層也會受到作用而產生范圍性移動并遭到力的破壞, 從而會引起底板承壓含水層遭受一定的破壞。煤層底板采動礦壓破壞帶的形成,會直接影響隔水層的厚度,使其變薄，同時使底板巖體的完整性以及抵抗承壓水突出的能力也隨之降低, 同時在該帶內會生成程度不同的貫通性裂隙, 且在開采區的采空區下方底板巖體會一直處于卸壓膨脹,裂隙呈現擴張狀態,且促進其導水性。由底板采動而生成的貫通裂隙一定會加強承壓水的連通性,因此，極有可能導致底板承壓水突出而遭到破壞。

2 煤礦開采對地下水環境的影響因素研究

2.1 案例分析

馬家巖煤礦開采采用斜井開拓方式，根據礦井現狀，設計充分利用馬家巖坑口已有的工業場地是整合后礦井工業場地。達產時布置有4 個井筒：新掘主斜井、新掘副斜井、利用原有的主斜井作為行人斜井、利用原有的回風井作為回風斜井。

本井田設計開采4、7、9#煤層，井田內4、7、9 號煤層現保留資源/儲量69898kt，工業資源/儲量69617.6kt，由于礦井北部井田與太原市汾河水庫飲用水源二級保護區重疊實施禁采，扣除井田內禁采區域的資源儲量，該礦設計儲量50844.6kt, 設計可采儲量30658.8kt。礦井服務年限20.7a，其中，首采4 號煤層服務年限8.4a，7#、9#煤層服務年限12.3a。

2.2 地下水環境影響因素分析

2.2.1 工業場地及矸石場（Ⅰ類建設項目）。在工程建設時期工業廣場及選煤廠施工對地下水環境的影響主要是基礎開挖與回填、鉆孔、灌漿柱樁及鋼筋砼柱樁等。在生產期間，主要是選煤廠的細煤泥水處理系統跑冒滴漏極有可能會通過包氣帶而滲入淺層區域的地下水，從而導致地下水的水質受到污染。而矸石場也主要是由淋溶液極有可能會通過包氣帶而滲入淺層區域的地下水，從而導致地下水的水質受到污染。

2.2.2 地下開采區域（Ⅱ類建設項目）。影響該開采區域的地下水環境影的主要因素有，礦井在開采運行期間對開采區地下水水位、水資源以及水文地質環境的影響。因此該開采區域的評價因子體現為：開采區地下水水位以及其動態變化。

2.3 煤礦開采對地下水水量的影響

2.3.1 煤礦開采對上覆含水層的影響分析。煤層頂板因開采垮落而生成的垮落帶以及導水裂隙帶，受其影響，使得地表水、地下含水層與開采煤層之間的隔水層均受到不同程度的破壞。通過冒落帶、裂隙帶最大高度預計，預測井下采煤對地下含水層、地表水體等產生的影響。

由馬家巖礦井的整體設計報告可知，本井田的采煤方式選擇機械化放頂煤一次采全高采煤法，全部跨落法管理頂板，4#、7#、9#煤層上覆巖層為中硬巖層，冒落帶、裂隙帶高度預測結果如下：

4 號煤層平均厚度7.63m，一次采全高，計算后導水裂隙帶為42.67m～53.87m，冒落帶高度11.71m～16.11m。7 號煤層平均厚度1.21m，一次采全高，計算后導水裂隙帶為16.24～27.44m，冒落帶高度2.7～7.1m。9 號煤層平均厚度11.66m，一次采全高，計算后導水裂隙帶為46.79～57.99m，冒落帶高度13.6～18.0m。

1947年，tPA最初發現于動物組織中，當時人們只知道其可激活纖溶酶原，因此最初也稱其為纖溶酶原激酶。之后發現，其可從多種組織中提取純化獲得，且與另一種內源性纖溶酶原激活劑尿激酶不同的是，tPA對纖維蛋白具有高度親和力，可在血塊表面高效激活纖溶酶原［1-3］。

2.3.2 煤礦開采對上覆含水層的影響分析。馬家巖井田4#煤層開采后，導水裂隙帶呈現的最高范圍上限為54.98m，其中裂隙帶會直接導通其上部二疊系山西組裂隙水含水層及二疊系下石盒子組裂隙水含水層，導通最高層至第四系松散巖類孔隙水含水層，冒落帶使得各含水層之間的隔水層遭到破壞，使得4#煤層上覆含水層與其下部石炭系裂隙水含水層之間發生水力聯系，進而對其造成影響。

7#煤層開采后，導水裂隙帶最大高度30.20m，其裂隙帶導通最高層為石炭系裂隙水含水層；9#煤層開采后，導水裂隙帶最大高度59.13m，其裂隙帶導通最高層為石炭系裂隙水含水層，由于7#煤層與9#煤層之間的最大距離為28.48m，所以，9#煤層導水裂隙帶直接導通7#煤層及其導水裂隙帶。

煤炭開采過程中，含水層中的地下水會通過導水裂隙帶進入井下，使含水層地下水轉化為礦井水，通過礦井排水方式排出，對二疊系碎屑巖裂隙含水層受到嚴重破壞。由原來的天然順地層逐漸傾向于流動，再逐由人工開采排泄替代，伴隨煤礦不斷的開采，對其的影響也會隨之增大。煤層采空后的導致的下沉帶，會引發地表塌陷，由于塌陷區邊緣的拉張裂縫產生的發育帶，導到第四系松散巖類的部分孔隙含的水層因受力而被全部貫通，最終將破壞并疏干第四系松散巖類孔隙含水層。考慮到局部地區風化殼發育深度及斷層可能同導水裂隙帶聯通的情況，通過相關資料進行預測，極有可能會出現松散巖類孔隙淺層水的基底遭受破壞的現象，會給局部區域的淺部含水層的整體結構引發不同程度的破壞。

2.3.3 煤礦開采對下伏含水層的影響分析。根據以上突水系數計算，4# 煤層帶壓區面積1.73km2，最大突水系數為0.033Mpa/m；7# 煤層帶壓區面積2.44km2，最大突水系數為0.041Mpa/m；9# 煤層帶壓區面積2.55km2，最大突水系數為0.045Mpa/m，詳見表1。

表1 煤層帶壓情況統計表

4、7 號和9#煤層承壓區突水系數值均低于有構造破壞地段臨界突水系數0.06MPa/m，煤層開采一般不會對奧陶系巖溶水產生影響。但是井田范圍內分布有三條斷層，煤礦開采遇到導通巖溶含水層的斷層時，有可能造成底板突水，對巖溶地下水產生影響。

2.3.4 煤礦開采對飲用水源地及村莊居民飲用水源的影響分析。評價區范圍內有7 個村莊，分別為楊家焉、新舍科、新莊、赤土華、遼莊及河楊樹底村，村莊飲用水源主要來自松散巖類孔隙水、二疊系砂巖裂隙水含水層及奧陶系巖溶含水層，根據前述分析，煤礦開采后形成塌陷，可能發育裂縫并影響到地表，開采煤層以上的含水層有可能被貫通，并以礦坑排水方式將開采煤層以上第四系松散層孔隙含水層及二疊系砂巖裂隙水含水層中的地下水基本疏干。對上述村莊居民飲用水源造成一定程度的影響。根據煤礦開采對下伏含水層的影響分析可知，4、7號和9 號煤層突水系數值均低于0.06MPa/m，對奧灰水的影響較小。煤礦為安全開采如果采用疏水降壓措施，可能對奧灰水產生較大影響，對周邊飲用奧陶系巖溶水水井的村莊帶來一定影響。表2 為評價區內村莊飲用水源情況。

表2 評價區內村莊飲用水源情況表

2.4 煤礦開采對地下水水質的影響

2.4.1 地下水污染途徑。（1）工業場地地下水污染途徑。馬家巖煤礦工業廣場污水主要可能來自礦井水凈化車間、生活污水處理站。其中，井下排水至地面后首先進入井下水處理廠進行處理，經一元化凈水器處理后，全部回用于井下生產使用。礦井水主要污染物是SS，如果礦井水處理站發生事故或者跑冒滴漏，礦井水會垂直下滲；生活污水主要污染物是COD、BOD5、SS。如果發生事故或者跑冒滴漏，生活污水會垂直下滲，可能會對地下水造成影響。為防范和控制事故時及事故處理過程中產生的污水對周邊地下水環境造成污染及危害，礦井正常涌水量為900m3/d（37.5m3/h），最大涌水量1200m3/d（50m3/h），生活污水產生量為320m3/d。由于非正常情況導致防滲失效后，相關污染物會不同程度發生滲漏，滲漏污染物會進入包氣帶，向地下滲透并滲入含水層。（2）矸石場地下水污染途徑。矸石場對水源地區的水質產生的影響因素主要有在大氣降水淋濾后，會導致矸石中的有害物質慢慢滲入到地表水或地下水中，從而影響地下水水質環境。通常，通過提前的防范措施會對矸石場做全面的防滲處理，在矸石場四周提前修筑好排水渠道，盡可能地降低地下水的污染；也有可能，盡管做了防滲處理，但依然出現滲漏，淋溶廢水的下滲也會引起地下水水質遭受不同程度的污染。

2.4.2 地下水污染防治措施。為避免淋溶廢水的下滲引起地下水水質遭受污染，可在矸石四周轉場位置沿溝再加修建疏水渠道，使山體匯流雨水能夠順暢排放，最大程度的降低矸石在雨水中的浸泡時間。每隔20m 修建一條排水溝，并與溝邊的疏水渠道相連，用于排放不同高度的來水；溝底應做簡單的防滲措施，覆蓋1m 厚的粘土并夯實。矸石溝的溝坡由于基本都是砂巖出露，入滲能力比較強，為防止對地下含水層的污染，建議在溝底修建的涵洞及坡體兩側修建擋渣墻和截水溝，在矸石山東端用毛石修筑擋渣墻，擋渣墻按重力渣墻修筑，擋土墻高5.5米，基礎埋深不小于2 米，基礎地面設10-15°的坑滑坡和不小于1 米的前趾腳。擋渣墻前面修筑截水溝，防止矸石山坡面和滲出的污水亂流，污染河道和環境。

3 結論

為了確保生態環境和煤礦開采的協調發展，要建立健全相關的管理制度，同時要加大對相關環境研究的資金投入力度，減少煤礦開采對水環境的影響。